ITRM20000644A1 - PROCESS FOR MOLD MANUFACTURE. - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: DESCRIPTION of the industrial invention entitled:
"PROCEDIMENTO PER LA FABBRICAZIONE DI STAMPI" "PROCEDURE FOR MOLD MANUFACTURING"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione ha come oggetto un procedimento per la fabbricazione di stampi, del tipo adatto ad essere impiegato nel settore della microfusione, della pressofusione, e dello stampaggio ad iniezione e di altri simili processi di fusione in conchiglia. The present invention relates to a process for the manufacture of molds, of the type suitable for use in the field of investment casting, die casting, injection molding and other similar shell casting processes.
Come è noto, detti stampi vengono impiegati per la produzione di modelli a perdere, ad esempio in cera nella tecnica detta a cera persa, da impiegare per dette tecniche di fusione. Il modello a perdere viene disposto in una conchiglia di materiale refrattario entro la quale viene colato o iniettato metallo fuso che scioglie e sostituisce il materiale del modello a perdere. As is known, said molds are used for the production of disposable models, for example in wax in the so-called lost-wax technique, to be used for said casting techniques. The disposable model is placed in a shell of refractory material into which molten metal is poured or injected, which melts and replaces the material of the disposable model.
Le tecniche ed i procedimenti di fabbricazione per stampi noti devono soddisfare numerose esigenze, tra le quali quella di consentire la fabbricazione stampi tali da poter produrre modelli a perdere, e poi di manufatti, quanto più fedeli possibili al modello originale. The manufacturing techniques and processes for known molds must satisfy numerous requirements, including that of allowing the manufacture of molds such as to be able to produce disposable models, and then of manufactured articles, as faithful as possible to the original model.
Inoltre, lo stampo deve poter essere impiegato per un numero adeguato di fusioni, mantenendo il più possibile inalterate le proprie prestazioni. Furthermore, the mold must be able to be used for an adequate number of castings, keeping its performance as unaltered as possible.
Ancora, il procedimento deve essere semplice e capace di adattarsi alle tecniche di prototipazione rapida con le quali viene impiegato in combinazione, anche per non incrementare eccessivamente il costo finale del manufatto. Furthermore, the procedure must be simple and capable of adapting to the rapid prototyping techniques with which it is used in combination, also in order not to excessively increase the final cost of the product.
Il problema tecnico che è alla base della presente invenzione è di fornire un procedimento che soddisfi nel modo migliore dette esigenze. The technical problem underlying the present invention is that of providing a process which satisfies these requirements in the best possible way.
Tale problema viene risolto da un procedimento per la fabbricazione di stampi per microfusione, pressofusione e simili che, nella sua definizione più generale, comprende le fasi di: This problem is solved by a process for manufacturing molds for investment casting, die casting and the like which, in its most general definition, includes the steps of:
* fornire un incavo portastampo atto ad accogliere un modello principale, realizzato mediante tecniche di prototipazione rapida, da cui ricavare uno stampo; * provide a mold-holder recess suitable for accommodating a main model, made by means of rapid prototyping techniques, from which to obtain a mold;
* disporre in detto incavo detto modello principale, provvisto di distanziatori; * arranging in said recess said main model, provided with spacers;
* colare una lega metallica bassofondente in detto incavo, lasciando indurire la colatura; e * pouring a low-melting metal alloy into said recess, allowing the casting to harden; And
* estrarre uno stampo da impiegare per ricavare modelli a perdere. * extract a mold to be used to obtain disposable models.
Per lega bassofondente si intende una lega con temperatura di fusione inferiore a 400°C, e per modelli a perdere si intende modelli, detti generalmente modelli secondari, ricavati per colatura nello stampo così fabbricato, impiegando come materiale un materiale facilmente fondibile come cera naturale o sintetica, materiale termoplastico come polistirene, mercurio congelato, urea indurita ecc. By low melting alloy we mean an alloy with a melting temperature lower than 400 ° C, and by disposable models we mean models, generally called secondary models, obtained by pouring into the mold thus manufactured, using as material an easily meltable material such as natural wax or synthetic, thermoplastic material such as polystyrene, frozen mercury, hardened urea etc.
Una versione preferita dell’ invenzione prevede l’impiego di una lega di stagno e bismuto, nel seguito citata come lega Sn-Bi. A preferred version of the invention provides for the use of an alloy of tin and bismuth, hereinafter referred to as Sn-Bi alloy.
In una definizione maggiormente particolareggiata, il procedimento secondo l’invenzione comprende le fasi di: In a more detailed definition, the process according to the invention includes the steps of:
* relizzare un modello principale mediante una tecnica di prototip azione rapida; * create a main model using a rapid action prototyping technique;
* fornire una coppia di incavi portastampo atti ad accogliere in accostamento detto modello principale; * providing a pair of mold-holder grooves able to accommodate said main model in juxtaposition;
* disporre, in un primo incavo portastampo di detta coppia di incavi, detto modello principale con opportuni distanziatori; * arranging, in a first mold-holder recess of said pair of recesses, said main model with suitable spacers;
* colare in detto primo incavo una quantità di materiale scomponibile ed indurne Tindurimento; * pouring a quantity of decomposable material into said first recess and hardening it;
* accostare a detto primo incavo detto secondo incavo e colare, nello spazio risultante, una lega metallica bassofondente, inducendone l’indurimento; * approach said second recess to said first recess and pour, in the resulting space, a low-melting metal alloy, inducing hardening;
* separare detti primo e secondo incavo, estrarre detto materiale scomponibile, trattare le superfici esposte della lega metallica indurita con un agente distaccante e riaccostare detti incavo; * separating said first and second recesses, extracting said decomposable material, treating the exposed surfaces of the hardened metal alloy with a release agent and bringing said recess together again;
* colare, nello spazio risultante, lega metallica bassofondente ed indurne l’indurimento; e * pour, in the resulting space, a low melting metal alloy and harden it; And
* separare detti incavi portastampo ed estrarre da essi una coppia di gusci di stampo. * separating said mold holder recesses and extracting a pair of mold shells therefrom.
Il principale vantaggio del procedimento secondo la presente invenzione risiede nel consentire l’ottenimento di stampi capaci di prestazioni ottimali. The main advantage of the process according to the present invention lies in allowing the obtaining of molds capable of optimal performance.
La presente invenzione verrà qui di seguito descritta secondo una sua forma di realizzazione preferita, fornita a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimentoalle rappresentazioni fotografiche ed ai disegni annessi in cui: The present invention will be described hereinafter according to a preferred embodiment thereof, provided by way of non-limiting example with reference to the photographic representations and annexed drawings in which:
* la figura 1 sono due rappresentazioni fotografiche di un modello master in due parti di un ugello, realizzato in stereolitografia; * figure 1 are two photographic representations of a two-part master model of a nozzle, made in stereolithography;
* la figura 2 sono due rappresentazioni fotografiche dei modelli master del’interno e dell’esterno di una valvola criogenica; * Figure 2 are two photographic representations of the internal and external master models of a cryogenic valve;
i modelli sopra citati sono stati realizzati con lo scopo di riprodurre i modelli con tecniche di micro fusione; the models mentioned above were made with the aim of reproducing the models with micro fusion techniques;
* la figura 3 è una rappresentazione schematica delle fasi principali del procedimento secondo l invenzione, con riferimento al modlelo di ugello di figura 1; * figure 3 is a schematic representation of the main steps of the process according to the invention, with reference to the nozzle model of figure 1;
* la figura 4 è uno schema a blocchi che illustra le fasi principali del procedimento secondo l’invenzione; * Figure 4 is a block diagram illustrating the main stages of the process according to the invention;
* la figura 5 è una rappresentazione fotografica di un modello in cera in due parti dell’ugello di figura 1; e * figure 5 is a photographic representation of a two-part wax model of the nozzle of figure 1; And
* la figura 6 è una rappresentazione fotografica di un modello in cera dell’interno della valvola di figura 2. * figure 6 is a photographic representation of a wax model of the inside of the valve in figure 2.
La fabbricazione di stampi da impiegare in tecniche di microfusione inizia con la fornitura di un modello principale o primario, detto anche modello master, mediante una tecnica di prototipazione rapida. The manufacture of molds for use in investment casting techniques begins with the supply of a main or primary model, also known as a master model, by means of a rapid prototyping technique.
Le tecniche impiegabili sono ad esempio la stereolitografia e la sinterizzazione sintetica di polveri. Entrambe le tecniche fanno uso di laser accoppiato ad un particolare software tipo CAD. The techniques that can be used are, for example, stereolithography and synthetic sintering of powders. Both techniques make use of lasers coupled to a particular CAD type software.
La prima tecnica citata consente di ottenere sia strutture piene particolarmente adatte alla fabbricazione di stampi con il procedimento secondo l’invenzione. The first cited technique allows to obtain both full structures particularly suitable for the manufacture of molds with the process according to the invention.
In figura 1 è rappresentato un modello master di un ugello prodotto con tecniche di stereo litografi a in resina epossiddica. Il modello di ugello è realizzato in due parti per poter eseguire tutte le operazioni di formatura di uno stampo. Figure 1 shows a master model of a nozzle produced with stereo lithography techniques in epoxy resin. The nozzle model is made in two parts to be able to perform all the forming operations of a mold.
In figura 2 è rappresentata una coppia di modelli master internoesterno di una valvola criogenica, sempre realizzata in stereolitografia con una resina epossidica. Figure 2 shows a pair of internal-external master models of a cryogenic valve, again made in stereolithography with an epoxy resin.
I modelli delle figure 1 e 2 sono esemplificativi di ciò che può costituire l’elemento di partenza del procedimento seondo l’invenzione, di cui segue la descrizione di un esempio di realizzazione. The models of figures 1 and 2 are examples of what may constitute the starting element of the process according to the invention, of which the description of an example of realization follows.
Una resina adatta per la realizzazione del modello master è il tipo SL 5170 della ditta Cibatool® ma è possibile fare uso di altre resine, ad esempio fotopolimeri sensibili alle radiazioni UV. A suitable resin for the realization of the master model is the type SL 5170 from the company Cibatool® but it is possible to use other resins, for example photopolymers sensitive to UV radiation.
Le caratteristiche che deve rispettare la resina sono legate essenzialmente alla possibilità di essere impiegata nel campo della stereolitografia, e quindi può essere del tipo epossidico o acrilico, purché il modello master finale possegga una buona resistenza all'umidità ed al calore. The characteristics that the resin must respect are essentially linked to the possibility of being used in the field of stereolithography, and therefore it can be of the epoxy or acrylic type, provided that the final master model has a good resistance to humidity and heat.
Poiché le caratteristiche fisiche delle rsine impiegate in ambito stereolitografico variano con la macchina che viene utilizzata, è difficile stabilire in modo univoco tali caratteristiche, pertanto, in linea di massima, si può indicare come riferimento una densità, misurata a 25°C, compresa tra 1,1 e 1,2 g/cm3; una temperatura di transizione vetrosa, misurata secondo DMA, a 4°C/min, di almeno 50°C; una temperatura di stabilità dimensionale a caldo, misurata secondo ASTM D 648, a 0,46 MPa, di almeno 40°C. Since the physical characteristics of the rsins used in stereolithography vary with the machine used, it is difficult to uniquely establish these characteristics, therefore, in principle, a density, measured at 25 ° C, can be indicated as a reference, between 1.1 and 1.2 g / cm3; a glass transition temperature, measured according to DMA, at 4 ° C / min, of at least 50 ° C; a hot dimensional stability temperature, measured according to ASTM D 648, at 0.46 MPa, of at least 40 ° C.
Inoltre, considerando il modello finito, bisogna verificare che esso abbia una durezza accettabile per le operazioni che dovranno seguire nella realizzazione dello stampo, e tale valore deve essere inferiore a 50 Shore D. Furthermore, considering the finished model, it is necessary to verify that it has an acceptable hardness for the operations that must follow in the realization of the mold, and this value must be less than 50 Shore D.
Infine, il modello master da noi realizzato dovrebbe rispondere a valori di tolleranza dimensionale (oltre che geometrica), espressi come: Finally, the master model we made should respond to dimensional (as well as geometric) tolerance values, expressed as:
± 0,7% della dimensione nominale, per quote maggiori di 15 mm; e ± 0,10 mm per quote minori di 15 mm. ± 0.7% of the nominal size, for dimensions greater than 15 mm; and ± 0.10 mm for dimensions smaller than 15 mm.
La resina epossidica impiegata consente una prestazione ottimale, in alternative è comunque utilizzabile una resina diversa, ad esempio acrilica. The epoxy resin used allows an optimal performance, alternatively a different resin can be used, for example acrylic.
Una volta fornito il modello master, vengono preparati due semiblocchi in lega di alluminio 1 che' svolgono la funzione di incavi portastampi perché dotati di una scavatura atta ad alloggiare un modello master come sopra descritto. Once the master model has been supplied, two semi-blocks in aluminum alloy 1 are prepared which perform the function of mold-holder grooves because they are equipped with a recess suitable for housing a master model as described above.
In un primo di detti incavi, indicato con 2, viene alloggiato un modello master 3 mediante appositi distanziatori e spessori 4, dopodiché in detto incavo 2 viene colato gesso 5 che, nel presente esempio di realizzazione, costituisce un materiale scomponibile, ovvero asportabile durante il procedimento con relativa facilità. A tale proposito si sottolinea come il gesso sia un materiale a basso costo, facilmente reperibile ed impiegato in tecniche di fonderia fin dagli albori. In a first of said recesses, indicated with 2, a master model 3 is housed by means of suitable spacers and shims 4, after which plaster 5 is poured into said recess 2 which, in the present embodiment, constitutes a material that can be dismantled, or that can be removed during the process with relative ease. In this regard, it should be emphasized that gypsum is a low-cost material, easily available and used in foundry techniques since the very beginning.
Viene indotta la solidificazione del gesso 5, cosicché è possibile effettuare lavorazioni di finitura manuali e/o a macchina, allo scopo di definire la cosiddetta linea di sformo. The solidification of the gypsum 5 is induced, so that it is possible to carry out manual and / or machine finishing operations, in order to define the so-called draft line.
Il secondo di detti incavi portastampo, indicato con 6, viene accostato e serrato sul primo incavo 2. Siccome il secondo incavo 6 non è stato colmato con gesso, ne risulta uno spazio vuoto, nel quale viene colata una prima quantità 7 di lega bassofondente di stagno e bismuto, con una temperatura di fusione inferiore a 400°C. The second of said mold-holder grooves, indicated by 6, is placed next to and tightened on the first groove 2. Since the second groove 6 has not been filled with plaster, an empty space is created, in which a first quantity 7 of low-melting alloy is poured. tin and bismuth, with a melting temperature below 400 ° C.
La composizione eutettica della lega Sn-Bi, che è ottimale per procedimento, presenta il 57% di Bi ed ha una temperatura di fusione di circa 139°C. The eutectic composition of the Sn-Bi alloy, which is optimal for the process, has 57% Bi and has a melting temperature of about 139 ° C.
La composizione preferita prevede una quantità di Sn compresa tra 30% e 55% in peso, ed una quantità di Bi compresa tra 70% e 45% in peso, con una temperatura di colata compresa tra 155° e 200°C circa. The preferred composition provides an amount of Sn comprised between 30% and 55% by weight, and an amount of Bi comprised between 70% and 45% by weight, with a casting temperature comprised between about 155 ° and 200 ° C.
Viene indotta la solidificazione, l’indurimento della lega metallica sopra citata e, quando possibile, i due semiblocchi 1, ovvero gli incavi 2, 6, vengono separati. Il gesso 5 del primo incavo 2 viene eliminato. Il modello master 3 viene convenientemente estratto per permettere le lavorazioni successive. The solidification and hardening of the aforementioned metal alloy is induced and, when possible, the two half blocks 1, or the recesses 2, 6, are separated. The plaster 5 of the first recess 2 is eliminated. The master model 3 is conveniently extracted to allow subsequent processing.
A questo punto, un primo guscio 8 derivato dalla solidificazione della lega metallica viene rifinito con la linea di sformo, e dopo il modello master 3 viene disposto do v’ era originariamente. At this point, a first shell 8 derived from the solidification of the metal alloy is finished with the draft line, and after the master model 3 is placed where it was originally.
Le superfici esposte 9 del primo guscio 8 vengono trattate con un agente distaccante, per permettere la separazione tra primo guscio 8 ed il seondo guscio che verrà formato. Un agente distaccante comunemente impiegabile è la povere di quarzo. The exposed surfaces 9 of the first shell 8 are treated with a release agent, to allow the separation between the first shell 8 and the second shell that will be formed. A commonly used release agent is the poor quartz.
Il primo incavo 2, svuotato e ripulito dal gesso, viene riposizionato in accostamento e serrato. Nello spazio vuoto risultante daH’eliminazione del gesso 5 viene fatta colare una seconda quantità 10 di detta lega Sn-Bi. The first recess 2, emptied and cleaned of plaster, is repositioned in juxtaposition and tightened. A second quantity 10 of said Sn-Bi alloy is poured into the empty space resulting from the elimination of the gypsum 5.
Una volta indotta la solidificazione di quest’ultima, risulta un secondo guscio I I e gli incavi 2, 6 vengono definitivamente separati ed i due gusci 8, 11 che formano lo stampo in lega metallica vengono estratti, rifiniti e lucidati. Once the latter has induced solidification, a second shell I I results and the recesses 2, 6 are definitively separated and the two shells 8, 11 that form the metal alloy mold are extracted, finished and polished.
Essi sono pronti per produrre modelli in cera. In figura 4, uno schema a blocchi riassume il procedimento sopra descritto. They are ready to produce wax models. In figure 4, a block diagram summarizes the procedure described above.
Nelle figure 5 e 6 sono rappresentati modelli in cera di valvole criogeniche e ugelli, pronti per la produzione di manufatti mediante processi di microfusione. Figures 5 and 6 show wax models of cryogenic valves and nozzles, ready for the production of products by means of investment casting processes.
Al sopra descritto procedimento di fabbricazione di stampi un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potrà apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate. In order to satisfy further and contingent needs, a person skilled in the art may make numerous further modifications and variations to the above described mold manufacturing process, all of which however fall within the scope of protection of the present invention, as defined by the attached claims.
Claims (12)
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